工業(yè)5G蜂窩無線技術(shù)在智慧礦山的應(yīng)用

柳東林，任志剛，王鵬，溫琦，徐飛龍，王濤，羅飛

（1.陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西 彬州 713500；2.西安華云智聯(lián)信息科技有限公司，陜西 西安 710061）

0 引言

2020年3 月，由國家發(fā)展改革委等8部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》[1]，意見指出煤炭板塊是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，其智能發(fā)展能力是中國煤炭產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量快速發(fā)展的重要技術(shù)保證和核心技術(shù)支撐[2]。目前，煤礦行業(yè)正由機(jī)械化向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型。

煤礦生產(chǎn)中大部分系統(tǒng)采用的是分布式移動系統(tǒng)，伴隨著開采、掘進(jìn)速度的提升，高速移動生產(chǎn)條件下的設(shè)備保障、安全監(jiān)測、人員管理需求陡增，傳統(tǒng)礦用系統(tǒng)獨立、開放性差，線纜拆裝復(fù)雜；同時礦用設(shè)備的自動化控制，通訊功能差，處于自動化孤島狀態(tài)[3]；設(shè)備之間協(xié)同交互能力差，難以及時準(zhǔn)確掌握井下信息；工作環(huán)境惡劣，事故無法精準(zhǔn)預(yù)測[4]等問題凸顯。

5G技術(shù)作為新一代移動通信技術(shù)，通過“大帶寬、低時延、廣連接”特征，構(gòu)建智能礦井的工業(yè)5G蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)；構(gòu)建智能、安全可視化監(jiān)控系統(tǒng)[5]；重構(gòu)基于優(yōu)先級服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）技術(shù)下的分布物聯(lián)網(wǎng)多元異構(gòu)智能感知系統(tǒng)；同時5G組網(wǎng)技術(shù)還可以將井下大量的智能感知數(shù)據(jù)快速反饋給中央預(yù)警系統(tǒng)，通過有效的分析從而進(jìn)行故障、災(zāi)難預(yù)測[6]。

彬長小莊礦業(yè)位于西北聚煤區(qū)的渭北黃隴侏羅紀(jì)煤田中段，井田面積45.82 km2，礦井主采4#煤層，地質(zhì)儲量為920.89 Mt，設(shè)計可采儲量為544.96 Mt。礦區(qū)儲煤環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)條件不穩(wěn)定，是全國水、火、瓦斯、煤塵、頂板、地?zé)岷偷V壓等災(zāi)害最嚴(yán)重礦區(qū)，其原煤處理能力與洗選能力為6.0 Mt/a。

綜上，彬長小莊礦業(yè)的5G+智慧礦區(qū)及其智能場景的應(yīng)用，對于提升我國煤礦安全生產(chǎn)水平、提高煤炭開采工作效率具有積極意義。

1 5G+智慧礦區(qū)建設(shè)目標(biāo)

彬長小莊礦業(yè)的5G+智慧礦區(qū)驗證平臺旨在建立基于5G的工業(yè)蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智慧礦區(qū)驗證平臺，分別應(yīng)用5G獨立組網(wǎng)技術(shù)（Sdandalone，SA）和5G-IoT窄帶蜂窩無線技術(shù)（包括NB-IoT、2G和LTEeMTC等多種組網(wǎng)技術(shù)）實現(xiàn)廣域移動生產(chǎn)環(huán)境下的高清視頻傳輸、多源異構(gòu)感知、礦井?dāng)?shù)字孿生、生產(chǎn)智能調(diào)度、災(zāi)害分類預(yù)測，從而基于礦山工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，提升實時信息采集與傳輸、跨媒體數(shù)據(jù)交互與融合，打造小莊礦業(yè)“1+3+1+N”模式：

（1）1個平臺：“5G+智慧礦區(qū)”基礎(chǔ)設(shè)施。

（2）3個系統(tǒng)：井下高清視頻圖像5G傳輸應(yīng)用系統(tǒng)、5G安全監(jiān)測泛在感知物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)、5G數(shù)字孿生工作面和煤礦生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)。

（3）1個標(biāo)準(zhǔn)：煤炭行業(yè)（或企業(yè)）智能化標(biāo)準(zhǔn)。

（4）N個智能化應(yīng)用：圍繞跨媒體融合、自適應(yīng)控制、生產(chǎn)調(diào)度、安全預(yù)警、災(zāi)害預(yù)防和MR培訓(xùn)等子系統(tǒng)。

5G技術(shù)貫穿于整個方案架構(gòu)，形成礦山數(shù)據(jù)全融合、生產(chǎn)安全全感知、數(shù)據(jù)算力全共享、工藝場景全覆蓋的復(fù)合應(yīng)用環(huán)境下的5G智慧礦區(qū)建設(shè)目標(biāo)。如圖1所示，建立生產(chǎn)網(wǎng)、工業(yè)網(wǎng)、辦公網(wǎng)“三網(wǎng)合一”的煤礦網(wǎng)絡(luò)通信方案。通過環(huán)網(wǎng)交換機(jī)建立4G+5G+Wi-Fi6井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)，采集與傳輸井下生產(chǎn)系統(tǒng)與井上洗煤廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)；通過核心交換機(jī)打通生產(chǎn)網(wǎng)與工業(yè)網(wǎng)，數(shù)據(jù)中心搭建超融合服務(wù)器群和云計算服務(wù)器群，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、分析以及決策，打造高性能的智能綜合管控平臺，調(diào)度指揮中心則通過調(diào)度大屏實時監(jiān)測和調(diào)度生產(chǎn)過程；辦公網(wǎng)與生產(chǎn)網(wǎng)兩者不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間通過安全隔離網(wǎng)閘進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖1 煤礦網(wǎng)絡(luò)通信方案

2 典型礦山通信技術(shù)對比

2.1 現(xiàn)有礦山網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

現(xiàn)有礦山網(wǎng)絡(luò)通信主要有光纖通信、線纜通信、Wi-Fi技術(shù)和4G通信技術(shù)，其特性對比見表1。

表1 各連接類型特性對比

2.2 5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

5G NR的頻率范圍分別定義為不同的FR：FR1與FR2。頻率范圍FR1即通常所講的5G Sub-6 GHz（6 GHz以下）頻段，頻率范圍FR2則是5G毫米波頻段。同時5G NR中也同樣為FDD與TDD劃分了不同的頻段，同時還引入了新的SDL（補(bǔ)充下行）與SUL（補(bǔ)充上行）頻段，5G作為先進(jìn)通信技術(shù)，具有以下特點，見表2。

表2 先進(jìn)通信技術(shù)特點

彬長小莊礦業(yè)圍繞45.87平方公里，井上井下覆蓋場景復(fù)雜，采用國內(nèi)5G多頻段設(shè)備進(jìn)行5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計。利用不同的頻段特性，引入AR路由器實現(xiàn)雙頻無線鏈路備份進(jìn)一步提升5G工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)可靠性。同時基于業(yè)務(wù)特征進(jìn)行業(yè)務(wù)頻段分層，如3.5/2.1G大帶寬作為視頻回傳承載頻譜，1.8G/900M作為感知控制業(yè)務(wù)流承載頻譜。

3 5G智慧礦山關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 5G-SA組網(wǎng)設(shè)計

獨立組網(wǎng)（Standalone，SA）采用5G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，5G終端接入5G基站再接入5G核心網(wǎng)。煤礦礦用5G通信系統(tǒng)主要由地面5G核心網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、多接入邊緣計算單元（Mobile Edge Computing，MEC）、地面基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）、5G環(huán)網(wǎng)路由器、時鐘同步服務(wù)器、礦用本安型基帶處理單元（BBU）、礦用隔爆型遠(yuǎn)端匯聚站（RHUB）、礦用隔爆兼本安型5G基站（pRRU）、礦用本安型信號轉(zhuǎn)換器（CPE）等構(gòu)成。

如圖2所示，基于“5G+智慧礦區(qū)”的5G-SA組網(wǎng)，井上MEC網(wǎng)絡(luò)部署在彬長小莊礦業(yè)數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)不出礦”的安全標(biāo)準(zhǔn)。通過5G及IPRAN環(huán)網(wǎng)切片，實現(xiàn)本地部署礦用獨立核心網(wǎng)，采用SA架構(gòu)組網(wǎng)，就近控制專網(wǎng)數(shù)據(jù)獨立，可以與公網(wǎng)兼容升級工業(yè)環(huán)網(wǎng)性能，新型環(huán)網(wǎng)支持高帶寬、低時延、數(shù)據(jù)切片技術(shù)。另外無線設(shè)備采用多?；?，可實現(xiàn)井下4/5G、5G-IoT無線全網(wǎng)絡(luò)覆蓋，最大化滿足開采掘進(jìn)、安全監(jiān)測、災(zāi)害防治、調(diào)度運輸、設(shè)備運維、洗選裝車、人員定位等復(fù)合應(yīng)用場景需要。

圖2 小莊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.2 井下高清視頻圖像5G傳輸技術(shù)

根據(jù)5G大帶寬的特點，實現(xiàn)試點應(yīng)用場景的可視化監(jiān)控，安裝5G無線高清攝像儀，通過5G網(wǎng)絡(luò)接入無線基站，或利用現(xiàn)有無線Wifi或光纖網(wǎng)絡(luò)有線方式接入，實現(xiàn)視頻圖像的實時傳輸和智能呈現(xiàn)。構(gòu)建基于井下云-邊-端的基于5G礦用本安可見光高清攝像儀與紅外熱成像攝像儀等的多場景無線視頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如圖3，通過視頻圖像采集與AI智能識別技術(shù)，構(gòu)建彬長小莊礦業(yè)智能化監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對設(shè)備安全、區(qū)域安全管理等的圖像數(shù)據(jù)采集與智能分析。視頻圖像采集分析的主要內(nèi)容包括：煤礦關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控、煤礦重點工作區(qū)域監(jiān)控、中央變電所、運輸大巷、等的安全監(jiān)控等視頻圖像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集方式通過對以上關(guān)鍵部位架設(shè)可見光攝像儀、紅外攝像儀等設(shè)備，實時監(jiān)測并上傳圖像數(shù)據(jù)，并利用AI視頻圖像識別技術(shù)，進(jìn)行綜合分析與預(yù)/報警管理。

圖3 井下高清視頻圖像5G傳輸應(yīng)用

3.3 5G工作面數(shù)字孿生技術(shù)

5G數(shù)字孿生工作面生產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)用，主要解決環(huán)境-裝備-工藝的相互關(guān)系，通過對采掘工作面的物理數(shù)據(jù)、虛擬數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、知識和服務(wù)數(shù)據(jù)形成智能工作面的數(shù)據(jù)融合交互等動態(tài)應(yīng)用場景。具體包括基于動態(tài)數(shù)字孿生技術(shù)的采掘面智能生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、支持高并發(fā)實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫，以及基于數(shù)字孿生技術(shù)的采掘工作面的生產(chǎn)執(zhí)行、設(shè)備管理、環(huán)境安全監(jiān)測單元。如圖4所示，系統(tǒng)通過建設(shè)基于5G無線技術(shù)采集、數(shù)字孿生技術(shù)融合，形成物理體數(shù)據(jù)、虛擬體數(shù)據(jù)和能量信息間的動態(tài)交互，實時反映采掘工作面及設(shè)備的實時運行狀況、實時性能、環(huán)境參數(shù)、突發(fā)擾動等的動態(tài)過程數(shù)據(jù)，形成物理模型相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)字模型的驅(qū)動因素、環(huán)境擾動、運行機(jī)制等行為模型相關(guān)評估、分析、預(yù)測等數(shù)據(jù)和模型，最終建立工作面生產(chǎn)、設(shè)備、安全知識和管理數(shù)據(jù)。

圖4 5G數(shù)字孿生應(yīng)用系統(tǒng)

4 實施效果及結(jié)論

5G無線通信技術(shù)覆蓋地面及井下生產(chǎn)的前中后段，開發(fā)多場景高清視頻分析系統(tǒng)，數(shù)字孿生工作面生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)等，在小莊礦井生產(chǎn)中落地應(yīng)用，實現(xiàn)礦用儀表和設(shè)備的感知數(shù)字化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、分析智能化和呈現(xiàn)靈活化，將傳統(tǒng)礦井生產(chǎn)體系中分裂的工藝、孤立的設(shè)備銜接起來，提升小莊礦采煤掘進(jìn)效率、安全生產(chǎn)能力和應(yīng)急管理水平。并分別在彬長小莊煤礦的機(jī)頭、運輸大巷以及40205回采工作面進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表3、表4。

表3 測試結(jié)果

表4 測試結(jié)果

地面礦區(qū)覆蓋測試中，5G平均下載速率為633.4 Mbps，為4G的9倍，整體覆蓋良好，感知速率卓越。兩座煤礦總體測試結(jié)果較為滿意，可以滿足煤礦智能化裝備及應(yīng)用的實際需求。

“5G+智慧礦區(qū)”幫助煤礦解決連接協(xié)同和動態(tài)交互的技術(shù)瓶頸，同時利用智慧礦區(qū)的煤炭物聯(lián)網(wǎng)、可靠采掘、安全生產(chǎn)等應(yīng)用技術(shù)和實現(xiàn)手段滿足智慧礦區(qū)的海量數(shù)據(jù)、全域數(shù)據(jù)連接和覆蓋，以及人—網(wǎng)—物三元互聯(lián)的實際需求，實現(xiàn)感知、采集、分析和預(yù)警可視化呈現(xiàn)和智能化分析；實現(xiàn)“萬物互聯(lián)+智能生產(chǎn)”的高質(zhì)量發(fā)展愿景，解決行業(yè)勞動力人口不足的問題，完成可持續(xù)發(fā)展的保障和依托。